电力拖动与自动控制课程设计.docx
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电力拖动与自动控制课程设计
题目:
单闭环不可逆直流调速系统设计
1技术指标
电动机参数:
PN=3KW,nN=1500rpm, UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25。
主回路总电阻R=2.5,电磁时间常数Tl=0.017s,机电时间常数Tm=0.075s。
三相桥式整流电路,Ks=40。
测速反馈系数=0.07。
调速指标:
D=30,S=10%。
2设计要求
(1)闭环系统稳定;
(2)在给定和扰动信号作用下,稳态误差为零。
3设计任务
(1)绘制原系统的动态结构图;
(2)调节器设计;
(3)绘制校正后系统的动态结构图;
(4)撰写、打印设计说明书。
4设计说明书
设计说明书严格按青海大学毕业设计格式书写,全部打印.另外,设计说明书应包括以下内容:
(1)中文摘要
(2)英文摘要
(3)课程设计的目的和意义
(4)课程设计内容
(5)方案确定
(6)工作设备的选择
(7)结论
(8)参考文献
目 录
第一章 中文摘要-1-
第二章 英文摘要-2-
第三章 课程设计的目的和意义-3-
3.1电力拖动自动控制系统的简介-3-
3.2课程设计的目的和意义-3-
第四章 课程设计内容-3-
4.1原始资料……………………………………………………………………………………….-3
4.2原始资料分析………………………………………………………………………………….-4
第五章 方案确定-5-
5.1 总体方案比较的论证-5-
5.1.1方案I弱磁调速…………………………………………………………………..-5-
5.1.2方案II串联电阻调速………………………………………………………………-6-
5.1.3方案III调节电枢供电电压………………………………………………………..-6-
5.1.4方案的对比及确定……………………………………………………………………-7-
5.2 主电路方案的论证比较-7-
5.2.1方案IPWM调压调速方案…………………………………………………………-7-
5.2.2方案II使用晶闸管可控整流装置调速……………………………………………-9-
5.2.3方案的对比及确定…………………………………………………………………-11-
5.3 控制电路方案的论证比较-11-
5.3.1方案I单闭环的转速反馈调节……………………………………………………-11-
5.3.2方案II单闭环的转速反馈调节加电流截止负反馈……………………………-13-
5.3.3方案的对比及确定…………………………………………………………………-13-
第六章 工作设备的选择-13-
6.1 主电路工作设备选择-13-
6.1.1变压器副边电压的选择……………………………………………………………-13-
6.1.2晶闸管参数的选择…………………………………………………………………-13-
6.1.3电枢回路的平波电抗器的选择……………………………………………………-14-
6.2控制电路工作设备选择………………………………………………………………-15-
第七章 结论-18-
第八章 参考文献-18-
中文摘要
摘要
为了提高直流调速系统的动态、静态性能,通常采用闭环控制系统(主要包括单闭环、双闭环)。
而在对调速指标要求不高的场合,采用单闭环即可。
闭环系统较之开环系统能自动侦测把输出信号的一部分拉回到输入端,与输入信号相比较,其差值作为实际的输入信号;能自动调节输入量,能提高系统稳定性。
在对调速系统性能有较高要求的领域常利用直流电动机,但直流电动机开环系统稳定性不能够满足要求,可利用转速单闭环提高稳态精度,而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的,为了消除系统静差,可采用积分调节器代替比例调节器。
课程设计是我们在校期间的一次综合训练,它将从思想方法、理论知识以及动手能力方面给予我们严格的要求。
使我们的综合能力有一个整体的提高。
它不但使我们巩固了本专业所学的知识,还使我们了解、熟悉了国家能源开发策略和有关的技术规程、规范以及各种设备的图形、符号等。
它将为我们以后的学习、工作打下良好的基础。
本次设计主要介绍了单闭环不可逆直流调速系统的方案比较及其确定,主电路设计控制电路等。
设计的内容符合国家有关经济技术政策,包括可靠性、经济性等方面。
该设计为单闭环不可逆直流调速系统电动机参数:
PN=3KW,nN=1500rpm,UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25Ω。
主回路总电阻R=2.5Ω,电磁时间常数Tl=0.017s,机电时间常数Tm=0.075s。
三相桥式整流电路,Ks=40。
测速反馈系数=0.07。
调速指标:
D=30,S=10%。
本次设计中进行了计算,主要设备调试,关于主电路设计和控制电路设计是基础部分,对晶闸管和电机的调试是非常重要的部分。
关键词:
稳态性能,稳定性,开环,闭环负反馈,静差
第二章 英文摘要
ABSTRACT
InordertoimproveDCdrivesystemperformanceofdynamic,static,usuallytakestheclosedloopcontrolsystem(mainlyconsistsofsingle-loop,double-loop).Intheindicatoronspeedcontrol,itisnotverygoodwithsingle-loop.Closed-loopsystemcomparedwiththeopen-loopsystemscanautomaticallydetectapartoftheoutputsignalbacktothedrawing,andinputoftheinputsignal,thedifferencecomparedtotheactualinputsignal;canauto-tuning,canimprovesystemstability.ThetimingsystemrequirementsforahigherperformanceinthefieldsofwaterwaysDCmotor,butDCmotor-loopsystemsstabilitycannotmeettherequirements,theycanusespeedstabilityprecisionsingle-loop,andtheincreasingproportionalregulatorfornegativefeedbackspeedcontrolsystemarestaticerrors,inordertoeliminatesystemstaticerrorsmaybeintheproportionofintegralregulatorinplaceoftheregulator.
Weareofcoursedesignisthecomprehensivetrainingatatime,itSImethod,theoreticalknowledgeandpracticalabilitytogive
Ourstrictrequirements.Makeusanoverallcomprehensiveability.Itnotonlysothatwehavestrengthenedtheprofessionalknowledge,butalsoprovidesinsight,becomefamiliarwiththenationalenergydevelopmentstrategyandrelatedtechnicalprocedures,specificationandavarietyofdevicesgraphics,symbols,andsoon.Itwillbeourfuturestudyandworklayingasolidfoundation.
Thisfocusesonasingle-loopcannotbereversedDCdrivesplancomparisonanditsdetermination,theprimarycircuitdesigncontrolcircuit,etc.Contentcomplywiththenationalpolicyforeconomicandtechnical,includinginareassuchasreliabilityandeconomy.
Thisdesigntosingle-loopcannotbereversedDCmotorparameters:
PN=3kW,nN=1500rpm,UN=220V,IN=17.5A,Ra=125Ω,Mainlooptotalresistancer=2.5Ω,electromagnetictimeconstantTl=0.017s,electro-mechanicaltimeconstantTm=0.075s.Three-phasebridgerectifiercircuit,Ks=40.Speedmeasuringfeedbackcoefficient=0.07.Speedindicators:
d=30,s=10%.
Thiscomputedinthemaindevicedebugging,regardingthemaincircuitdesignandcontrolcircuitdesignisafundamentalpart,onthedebugSCRandmotorisaveryimportantpart.
Keywords:
steady-stateperformance,stability,open-loop,staticfeedback.
第三章 课程设计的目的和意义
3.1电力拖动自动控制系统的简介
电力拖动自动控制系统分为直流拖动控制系统和交流拖动控制系统。
从生产机械要求控制的物理量来看,电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统(伺服系统)、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型,各种系统往往都是通过控制转速来实现的,因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。
直流电动机具有良好的起、制动性能,易于在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
近年来,高性能交流调速技术发展很快,交流调速系统正逐步取代直流调速系统。
然而,直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟,而且从控制的角度来看,它又是交流拖动控制系统的基础。
因此,直流拖动系统应用相当广泛。
约占80%以上的不变速拖动系统则采用交流电动机,这种分工在一段时期内已经成为一种举世公认的格局。
交流调速系统的多种方案虽然已问世,并已获得实际应用,但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。
随着电力电子技术的发展,使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现,特别是大规模集成电路和计算机控制的出现,使得高性能交流调速系统应运而生,交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。
3.2课程设计的目的和意义
本次课程设计将单闭环不可逆直流调速系统初步设计与所学专业理论知识紧密结合,使所学知识系统化,按现行设计规范、规程并结合工程实际具体情况,完成规程规范所要求的设计内容和设计深度。
掌握了解单闭环不可逆直流调速系统的原理、组成及其各主要单元部件的原理,晶闸管直流调速系统的一般调速过程以及认识闭环反馈控制系统的基本特性。
通过实验等环节,深化专业知识,增强动手能力,具备初步的电力拖动制动系统的调试能力。
第四章 课程设计内容
4.1原始资料
电动机参数:
PN=3KW,nN=1500rpm,UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25。
主回路总电阻R=2.5,电磁时间常数Tl=0.017s,机电时间常数Tm=0.075s。
三相桥式整流电路,Ks=40。
测速反馈系数=0.07。
调速指标:
D=30,S=10%。
其主要内容包括:
方案确定;
主电路设计;
控制电路设计;
绘制原系统的动态结构图;
调节器设计;
绘制校正后系统的动态结构图。
4.2原始资料分析
由于:
(1)闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多;
(2)闭环系统的静差率要比开环系统小得多;(3)如果所要求的静差率一定,则闭环系统可以大大提高调速范围。
但是要付出的代价是须增设电压放大器以及检测与反馈装置。
鉴于以上优点,在本次课程设计中采用闭环系统。
在设计闭环调速系统时,常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况,这是,必须设计合适的动态校正装置,用来改造系统,使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标这两方面的要求。
调节电动机的转速可以有三种方法:
(1)调节电枢供电电压U;
(2)减弱励磁磁通Φ;
(3)改变电枢回路电阻R。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,以调节电枢供电电压的方式为最好,改变电阻只能实现有级调速;减弱磁通虽然能够平滑调速,但调速范围不大,往往只是配合调压方案,在基速(额定转速)以上作小范围的弱磁升速。
因此,自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。
调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源,常用的主要有三种:
(1)旋转变流机组。
用交流电动机和直流发电机组成机组,获得可调的直流电压;
(2)静止式可控整流器。
用静止式可控整流器获得可调的直流电压;
(3)直流斩波器或是脉宽调制变换器。
用恒定直流电源或是不控整流电源供电,利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制,产生可变的平均电压。
总之,一个调速系统的范围要求在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。
第五章 方案确定
5.1 总体方案比较的论证
从生产机械要求控制的物理量来看,电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统(伺服系统)、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型,各种系统往往都是通过控制转速来实现的,因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。
直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为:
式中n——转速(r/min);
U——电枢电压(V);
I——电枢电流(A);
R——电枢回路总电阻(Ω);
Ф——励磁磁通(Wb);
——由电机结构决定的电动势常数。
在上式中,
是常数,电路I是由负载决定的,因此调节电动机的转速可以有三种方法:
调节电动机的转速可以有三种方法:
(1)调节电枢供电电压U;
(2)减弱励磁磁通Φ;
(3)改变电枢回路电阻R。
5.1.1 方案I弱磁调速
减弱励磁磁通Φ,即弱磁调速通过改变励磁线圈中的电压Uf,使磁通量改变(Uf增大,磁通量增大;Uf增小,磁通量增小)。
特点:
保持电源电压为恒定的额定值,通过调节电动机的励磁回路的励磁电流大小,改变电动机的转速。
这种调速方法属于基速以上的恒功率调速的方法。
在电流较小的励磁回路内进行调节,因此控制起来比较方便,功率损耗小,用于调节励磁的电阻器功率小,控制方便且容易实现,而其更重要的是此方法可以实现无级平滑调速,但由于电动机的换向有限以及机械强度的限制,速度不能调节得太高,从而电动机的调速范围也就受到了限制。
系统采用弱磁调速。
由于弱磁调速方法的特点可以看出:
功率损耗小,特别是用于调节励磁的电阻器功率小,控制方便而其容易实现,更重要的是可以实现无级平滑调速,为生产节约了生产成本。
这是它的优点,但同时要注意到弱磁调速方法难以实现低速运行,以及可逆运行。
只能在基速以上运行,且电动机的换向能力以及机械强度的限制,速度不能调得太高,这就限制了它的调速范围的要求,针对我们要设计的目标调速系统,速度要求在1500r/min,很明显这种调速方法难以做到,必须要配合其他的控制方法才能实现,这样成本将会升高,而且控制将会变得复杂,失去了弱磁调速本身所具有的优点。
5.1.2 方案II串联电阻调速
改变电枢回路电阻R,即串联电阻调速即在电枢回路中串入一个电阻,其阻值的大小根据实际需要而定,使电动机特性变软。
特点:
在保持电源电压和气隙磁通为额定值,在电枢回路中串入不同阻值的电阻时,可以得到不同的人为机械特性曲线,由于机械特性的软硬度,即曲线斜率的不同,在同一负载下改变不同的电枢电阻可以得到不同的转速,以达到调速的目的,属于基速以下的调速方法。
这种方法简单,容易实现,而其成本较低,单外串电阻只能是分段调节,不能实现无级调速,而其电阻在一定程度上要消耗能量,功率损耗大,低速运行时转速稳定性较差,只能适应对调速要求不高的中小功率型电动机。
系统采用串联电阻调速。
这种方法最大的优点就是实现原理简单,控制电路简单可靠,操作简便。
由于这种调速属于基速以下的调速方法,可以达到生产工艺对速度的要求。
但它外串电阻只能是分段调节,不能实现无级平滑调速,而且电阻在一定程度上消耗能量,功率损耗比较大,低速运行时转速稳定性差,容易产生张力不平稳,难以控制。
5.1.3 方案II调节电枢供电电压
调节电枢供电电压电机降压起动是为了避免高启动转矩和启动电流峰值,减小电动机启动过程的加速转矩和冲击电流对工作机械、供电系统的影响。
特点:
在保持他励直流电动机的磁通为额定值的情况下,电枢回路不串入电阻,将电视两端的电压,即电源电压降低为不同的值时,可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性,调速方向是基速以下,属于恒转矩调速方法。
只要输出的电压是连续可调的,即可实现电动机的无级平滑调速,而且低速运行时的机械特性基本保持不变。
所以得到的调速范围可以达到很高,而且能实现可逆运行。
但对于可调的直流电源成本投资相对其他方法较高。
又由于电力电子技术的发展,出现了各种的直流调压方法,可分为如下两种:
1)使用晶闸管可控整流装置的调速系统;
2)使用脉宽调制的晶体管功率放大器调速系统。
系统采用调节电枢电压的调速方法。
这种可以获得与电动机的固有机械特性相平行的人为机械特性,调速方向是基速以下只要输出的电压是连续可调的,即可实现电动机的无级平滑调速,而且低速运行时的机械特性基本上保持不变所以得到的调速范围可以达到很宽,而且可以实现电动机的正反转。
5.1.4 方案的对比及确定
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,以调节电枢供电电压的方式为最好,改变电阻只能实现有级调速;减弱磁通虽然能够平滑调速,但调速范围不大,往往只是配合调压方案,在基速(额定转速)以上作小范围的弱磁升速。
因此,自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。
所以选择方案Ⅲ。
鉴于以上对各种调速可行性方案的论述,本系统将采用调压调速的调速方法以满足生产工艺的要求。
5.2 主电路方案比较的论证
主电路主要是指电源装置和执行装置(直流电动机),由于电动机是我们的控制对象,所以就对电源装置进行可行性和优越性的比较论证。
直流电动机的调速方法有两种,具体为:
1)使用脉冲宽度调制晶体管功率放大器,即采用PWM的调压调速控制;2)使用晶闸管可控整流装置调速。
5.2.1方案IPWM调压调速系统
采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式,形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统,或直流PWM调速系统。
脉宽调制变换器的作用是:
用脉宽调制的方法,吧恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列,从而可以改变平均输出电压的大小,以调节电机的转速。
PWM变换器电路有多种形式,可分为不可逆和可逆两大类,在本篇课程设计中采用不可逆系统。
简单的不可逆PWM变换器—直流电动机系统主电路原理图(如图一所示),其中电力电子开关器件为IGBT(或其他任意一种全控型开关器件),这样的电路又称直流降压斩波器。
VT的控制极由脉宽可调的脉冲电压序列Ug驱动。
在一个开关周期内,当
时,Ug为正,VT导通,电源电压通过VT加到电动机电枢两端;
时,Ug为负,VT关断,电枢失去电源,经VD续流,这样,电动机两端得到的平均电压为:
改变占空比
(
)即可调节电动机的转速。
图一简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统(a)电路原理图
图一简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统(b)电压、电流波形
电源装置采用PWM调压,其基本思想是:
冲量相等而形状不同的窄脉冲(等幅不等宽的脉冲)加载到具有惯性的环节上时,其效果相同。
即惯性环节的输出相应是相同的。
SPWM波形——脉冲宽度按照正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,可表示如下。
图二用PWM波代替正弦波
图三PWM调压电路
5.2.2方案II使用晶闸管可控整流装置调速
采用闸流管或是汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流调速系统。
晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统,又称静止的Ward-Leonard系统)。
VT是晶闸管可控整流器,通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位,即可改变平均整流电压Ud,从而实现平滑调速。
晶闸管-电动机调速系统(V-M系统)原理图如下图一所示。
图一晶闸管-电动机调速系统(V-M系统)原理图
也可以通过晶闸管的导通角的移相,改变触发角,从而改变电压的导通时间,改变电压的平均值。
当
时,Ud0>0,晶闸管装置处于整流状态,电功率从交流侧输送到直流侧;当
,Ud0<0,装置处于有源逆变状态,电功率反向传送。
电路如下图二所示。
图二晶闸管可控整流装置电路
电路特点:
电路直接由交流转换为直流,所以效率比较高。
其次,整流装置时SRC,容量相对IGBT而言,比较大,电动机的容量就可以做的相对较大,可靠性也比较高,技术成熟等优点。
设计的对象电机的容量是3KW,可以很好地满足容量的要求,再次,触发电路也比较简单,有现成的集成触发电路,设计起来相对简单。
不过由于也存在正反两组的问题,所以也要考虑逻辑控制问题,以免发生环路导通短路事故。
图三完整的V-M系统机械特性
5.2.3 方案的对比及确定
与V-M系统相比,PWM系统在很多方面有较大的优越性:
(1)主电路简单,需用的电力电子器件少;
(2)开关频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗及发热都较少;
(3)低速性能好,稳速精度高,调速范围宽,可达1:
10000左右;
(4)若与快速响应的电动机配合,则系统能够频带宽,动态响应快,动态抗扰能力强;
(5)电力电子开关器件工作在开关状态,导通损耗小,当开关平率适当时,开关损耗也不大,因而装置效率较高;
(6)直流电源采用不控整流时,电网功率因数比相控整流器高。
由于以上优点,直流PWM调速系统的应用日益广泛,特别是在中、小容量的高动态性能系统中,已经完全取代了V-M系统。
结合本课程设计,虽然PWM系统有以上优点,但是考虑到经济性方面,晶闸管可控整流装置较好,除此之外,本设计没有要求高动态性能,采用晶闸管可控整流的方式足以达到设计的要求,设计要求
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